规范|中国科学家联合德意同行开发出一种专用量子计算机
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示意图：规范场理论描述基本粒子之间的相互作用、产生和湮灭过程，这一过程可以用晶格中超冷原子之间的相互作用及其在晶格中的排布模式来模拟 。（制图：石千惠、梁琰）中国科大研究团队 供图
中新网北京11月19日电 采访人员19日从中国科学院获悉，中国科学技术大学教授潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者，最新在量子计算和量子模拟研究获重要突破：他们开发出一种专用的量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型(Schwinger Model)进行了成功模拟 。
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Schwinger模型：描述粒子与规范场之间的相互作用和转化，如正反粒子湮灭产生光子的过程 。在特定的势阱形状下，一维Hubbard模型与Schwinger模型的群对称性相同 。中国科大研究团队 供图
这一量子计算和量子模拟研究领域重要科研成果论文，北京时间11月19日凌晨获国际著名学术期刊《自然》在线发表 。中德意科学家通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，从而取得利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破 。
苑震生教授介绍说，规范场理论是现代物理学的根基，伴随着规范场理论半个多世纪的发展，科学家们发现各种规范场方程求解的计算复杂度非常高，对超级计算机的数值计算能力形成严重挑战 。于是，人们提出开发专用量子计算机——量子模拟器——构建晶格规范场模型，在实验中通过对模拟器的各种参数的精准调控制备目标量子物态，并用量子气体显微镜成像等手段，观测所模拟的量子物态的相变、量子关联等性质，获得待研究规范场模型的各种物理性质 。
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Hubbard模型：描述光晶格中的超冷原子在相邻格点上的隧穿过程和同一格点上的原子之间的相互排斥或吸引作用 。在特定的势阱形状下，一维Hubbard模型与Schwinger模型的群对称性相同 。中国科大研究团队 供图
为解决以往的量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法同时产生规范场、物质场的两个主要问题，中国科大研究团队开发出独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术，在超冷原子量子模拟器中实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器，并通过与德意同行合作开展实验上的精确调控，在71个格点的超冷原子量子模拟器上模拟了一维格点体系的施温格模型，首次模拟出规范场与物质场之间的相互作用和转化，并由此观测到局域规范不变性(验证了高斯定理)，从而在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得突破性的进展 。
《自然》审稿人评价认为，这项研究工作“是量子模拟方法研究晶格规范场的一个重要的里程碑”“该工作同时模拟了物质场和规范场，是相关交叉学科研究的里程碑”“迈出了模拟晶格规范场理论的真正一步：从实现量子模拟器的模块到对特定模型的完全模拟” 。
苑震生透露，在此次科研突破成果相关工作基础上，中国科大团队后续将进一步使用量子模拟的方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场模型，并可推广到远离平衡态的规范场系统，研究真空衰变、与拓扑角度相关的动力学过程等重要物理难题 。
据了解，近年来，潘建伟研究团队在利用超冷原子产生大规模量子纠缠态进行量子计算、构建拓扑量子计算系统、模拟凝聚态超流模型、模拟人工规范场、开展超冷化学研究等方面取得一系列原创性科研成果，现已成为国际上超冷原子量子计算和量子模拟领域的领跑团队之一 。
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